JP5292968B2 - Silicon carbide semiconductor device manufacturing method and silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon carbide semiconductor device which improves channel mobility by reducing an interface level density in the vicinity of an interface between a semiconductor substrate and an oxide film of the silicon carbide semiconductor device, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device includes a step of forming an oxide layer mainly composed of a silicon oxide film on the surface of the semiconductor substrate 1 of silicon carbide. One main surface of the oxide layer that does not oppose a silicon carbide epitaxial layer 2 is exposed to a gas containing a group-III element in a heated atmosphere to make the oxide layer contain a group-III atom. Then, the group-III atom diffused in the vicinity of the interface between the oxide layer and the semiconductor substrate 1 is made to terminate the interface level, thus the channel mobility of the silicon carbide semiconductor device is made improved. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置に関するものであり、より特定的には、炭化珪素半導体の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のチャネル移動度を向上させるための炭化珪素半導体装置の製造方法、およびチャネル移動度を向上させた炭化珪素半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device and a silicon carbide semiconductor device, and more specifically, a silicon carbide semiconductor device for improving channel mobility of a field effect transistor (MOSFET) of a silicon carbide semiconductor. And a silicon carbide semiconductor device having improved channel mobility.

ワイドギャップ半導体の１つである炭化珪素は、高周波パワーデバイスや、耐熱・耐放射線デバイスを実現するための材料として注目されている。炭化珪素はシリコンと同様の手法により酸化膜を形成することが可能であるため、炭化珪素半導体装置、たとえばＭＯＳＦＥＴの研究が盛んに行なわれてきた。なお、シリコンは珪素と同義である。炭化珪素を含む半導体層を備えたＭＯＳＦＥＴなどの半導体装置を、ここでは炭化珪素半導体装置と呼ぶ。これまで、量産性に優れた実用的なプロセスを用いて、高いチャネル移動度を持つ炭化珪素半導体装置を形成することができなかったことが、炭化珪素を用いた低損失パワーデバイスの実現に対する障壁となっていた。ＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度を低下させる原因としては、たとえば炭化珪素の半導体基板と、炭化珪素の半導体基板の上に形成された酸化物層との界面近傍における界面準位密度が高いことがある。炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍に存在するダングリングボンドが、界面準位の主な原因と考えられている。   Silicon carbide, which is one of the wide gap semiconductors, is attracting attention as a material for realizing high-frequency power devices and heat / radiation resistant devices. Since silicon carbide can form an oxide film by the same method as silicon, research on silicon carbide semiconductor devices such as MOSFETs has been actively conducted. Silicon is synonymous with silicon. A semiconductor device such as a MOSFET provided with a semiconductor layer containing silicon carbide is referred to herein as a silicon carbide semiconductor device. Until now, it has been impossible to form a silicon carbide semiconductor device having high channel mobility using a practical process with excellent mass productivity, which is a barrier to realizing a low-loss power device using silicon carbide. It was. The cause of lowering the channel mobility of the MOSFET is, for example, a high interface state density in the vicinity of the interface between a silicon carbide semiconductor substrate and an oxide layer formed on the silicon carbide semiconductor substrate. A dangling bond existing in the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer is considered to be the main cause of the interface state.

炭化珪素を用いたＭＯＳＦＥＴの界面準位密度低減法として、たとえば特開２００６−２１０８１８号公報（以下、「特許文献１」という）においては、炭化珪素基板の一方の主表面上に形成させた酸化物層を、加熱された窒素化合物雰囲気中に曝露することにより酸化物層の内部に窒素を拡散させる窒化処理が開示されている。この窒化処理により界面準位密度がある程度低減されることが示されている。   As a method for reducing the interface state density of a MOSFET using silicon carbide, for example, in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-210818 (hereinafter referred to as “Patent Document 1”), an oxidation formed on one main surface of a silicon carbide substrate. A nitriding treatment is disclosed in which nitrogen is diffused into an oxide layer by exposing a physical layer to a heated nitrogen compound atmosphere. It has been shown that the interface state density is reduced to some extent by this nitriding treatment.

また、たとえば「Materials Science Forum Vols.527-529(2006) p.961-966」（以下、「非特許文献１」という）においては、シリコン酸化膜を主成分とする酸化物層を形成する際に、固体であるアルミナ焼結体の存在する雰囲気中で熱酸化することにより、炭化珪素基板と酸化物層との界面近傍の界面準位密度を低減させたＭＯＳＦＥＴについて開示されている。ここで、非特許文献１では、アルミナ焼結体の存在する雰囲気中での熱酸化においては、成膜速度が速いことが界面準位密度の低減に効果的であると報告されている。
特開２００６−２１０８１８号公報 E.O.Sveinbjornsson他著、「High channel mobility 4H-SiC MOSFETs」、Switzerland、Materials Science Forum、２００６年、ｐ９６１−９６６ For example, in “Materials Science Forum Vols. 527-529 (2006) p. 961-966” (hereinafter referred to as “Non-patent Document 1”), an oxide layer mainly composed of a silicon oxide film is formed. In particular, there is disclosed a MOSFET in which the interface state density in the vicinity of the interface between the silicon carbide substrate and the oxide layer is reduced by thermal oxidation in an atmosphere containing a solid alumina sintered body. Here, Non-Patent Document 1 reports that, in thermal oxidation in an atmosphere in which an alumina sintered body exists, a high film formation rate is effective in reducing the interface state density.
JP 2006-210818 A EOSveinbjornsson et al., “High channel mobility 4H-SiC MOSFETs”, Switzerland, Materials Science Forum, 2006, p961-966.

たとえば特許文献１には、炭化珪素基板の一方の主表面上に形成させた酸化物層の内部に窒素を拡散させる窒化処理により、界面準位密度が低減されることが開示されているが、形成させた半導体素子のチャネル移動度の向上を示すデータに関しては開示も示唆もされていない。チャネル移動度をより向上させるためには、界面準位密度のさらなる低減が必要である。   For example, Patent Document 1 discloses that the interface state density is reduced by nitriding treatment in which nitrogen is diffused into an oxide layer formed on one main surface of a silicon carbide substrate. There is no disclosure or suggestion regarding data showing the improvement in channel mobility of the formed semiconductor element. In order to further improve the channel mobility, it is necessary to further reduce the interface state density.

また、たとえば非特許文献１に示す、アルミナ焼結体の存在する雰囲気中で熱酸化することにより、シリコン酸化膜を主成分とする酸化物層を形成させる工程において用いられるアルミナ焼結体には、たとえばナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋａ）、カルシウム（Ｃａ）およびマグネシウム（Ｍｇ）などの金属不純物の密度が高い。したがって、アルミナ焼結体の存在する雰囲気中で熱酸化を行なえば、上述したような種類の金属不純物が、シリコン酸化膜を主成分とする酸化物層を汚染することになる。   In addition, for example, as shown in Non-Patent Document 1, the alumina sintered body used in the step of forming an oxide layer mainly composed of a silicon oxide film by thermal oxidation in an atmosphere in which the alumina sintered body exists exists. For example, the density of metal impurities such as sodium (Na), potassium (Ka), calcium (Ca) and magnesium (Mg) is high. Therefore, if thermal oxidation is performed in an atmosphere in which an alumina sintered body exists, the above-described types of metal impurities contaminate the oxide layer containing the silicon oxide film as a main component.

本発明は、上述した各問題に鑑みなされたものである。その目的は、炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍における界面準位密度を低減させることによりチャネル移動度を向上させることができる、炭化珪素半導体装置の製造方法、および上述した方法によりチャネル移動度を向上させた炭化珪素半導体装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described problems. The object is to improve the channel mobility by reducing the interface state density in the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer, and a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device described above It is an object to provide a silicon carbide semiconductor device having improved channel mobility.

本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素を含む半導体層を準備する工程と、半導体層の主表面上に酸化物層を形成する工程と、酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程とを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法である。酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程は、たとえば酸化物層の、半導体層と対向しない一方の主表面をＩＩＩ族元素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露することにより行なう。
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素を含む半導体層を準備する工程と、半導体層の主表面上に酸化物層を形成する工程と、酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程とを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法である。酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程は、たとえば酸化物層の、半導体層と対向しない一方の主表面をＩＩＩ族元素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露することにより行なう。酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程と、酸化物層を窒素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する工程とは、処理炉内で連続して行なわれる。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a step of preparing a semiconductor layer containing silicon carbide, a step of forming an oxide layer on the main surface of the semiconductor layer, and a group III element in the oxide layer A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device. The step of adding the group III element to the oxide layer is performed, for example, by exposing one main surface of the oxide layer not facing the semiconductor layer to a gas containing a group III element in a heated atmosphere.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a step of preparing a semiconductor layer containing silicon carbide, a step of forming an oxide layer on the main surface of the semiconductor layer, and a group III element in the oxide layer A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device. The step of adding the group III element to the oxide layer is performed, for example, by exposing one main surface of the oxide layer not facing the semiconductor layer to a gas containing a group III element in a heated atmosphere. The step of incorporating a group III element in the oxide layer and the step of exposing the oxide layer to a gas containing nitrogen in a heated atmosphere are continuously performed in a processing furnace.

上述した方法では、ＩＩＩ族元素として、シリコンと原子半径が近いアルミニウムを用いることが好ましい。ＩＩＩ族元素、好ましくはアルミニウムを、酸化物層に含有させることにより、アルミニウムが酸化物層と半導体層との界面近傍に拡散し、炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍に存在する、炭化珪素の炭素のダングリングボンドが、アルミニウムにより終端される。その結果、炭素のダングリングボンドの密度が低くなるため、炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍の界面準位密度を低減することができる。非特許文献１では、金属不純物とともにアルミナの構成元素であるアルミニウムの一部が酸化雰囲気中に拡散することが考えられるが、本発明では、ガスを用いてアルミニウムを処理炉の内部に供給することにより、制御性よく、かつ再現性よく、酸化物層中にアルミニウムを拡散させることができる。したがって、ダングリングボンドを終端する反応を精密に制御することができる。   In the above-described method, it is preferable to use aluminum having an atomic radius close to that of silicon as the group III element. By including a group III element, preferably aluminum, in the oxide layer, aluminum diffuses in the vicinity of the interface between the oxide layer and the semiconductor layer, and exists in the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer. The silicon carbide carbon dangling bonds are terminated with aluminum. As a result, the density of carbon dangling bonds is reduced, so that the interface state density in the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer can be reduced. In Non-Patent Document 1, it is conceivable that a part of aluminum, which is a constituent element of alumina, diffuses into an oxidizing atmosphere together with metal impurities, but in the present invention, aluminum is supplied into the processing furnace using a gas. Therefore, aluminum can be diffused in the oxide layer with good controllability and good reproducibility. Therefore, the reaction for terminating the dangling bond can be precisely controlled.

酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させるために供給する、ＩＩＩ族元素を含有するガスとしては、たとえばアルミニウムを含有する有機金属化合物を用いることができる。   For example, an organometallic compound containing aluminum can be used as the gas containing the group III element supplied to contain the group III element in the oxide layer.

アルミニウムは炭化珪素へのドーピングに一般的に用いられる元素である。アルミニウム原子はシリコン原子と原子半径が近いことから、炭化珪素半導体中のシリコン空孔に置換しやすい。したがって、アルミニウムを用いると、シリコン空孔に起因するダングリングボンドの終端を効率的に行なうことができる。   Aluminum is an element commonly used for doping silicon carbide. Since the aluminum atom has an atomic radius close to that of the silicon atom, it can be easily replaced with a silicon vacancy in the silicon carbide semiconductor. Accordingly, when aluminum is used, dangling bonds resulting from silicon vacancies can be effectively terminated.

また、本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、酸化物層の、炭化珪素を含む半導体層と対向しない一方の主表面を、窒素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する工程をさらに備えてもよい。ここで、窒素を含有するガスは、たとえば一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）または二窒化酸素（Ｎ２Ｏ）からなる群から選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention further includes a step of exposing one main surface of the oxide layer not facing the semiconductor layer containing silicon carbide to a gas containing nitrogen in a heated atmosphere. You may prepare. Here, the nitrogen-containing gas preferably includes at least one selected from the group consisting of, for example, nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), or oxygen dinitride (N 2 O).

上述した方法を用いて、酸化物層を窒素を含有するガスに曝露することにより、酸化物層に窒化処理を行なう。すると、炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍に存在する、炭化珪素のシリコンのダングリングボンドが窒素により終端される。炭化珪素の炭素のダングリングボンドが、アルミニウムにより終端され、かつ、シリコンのダングリングボンドが、窒素により終端されることにより、炭化珪素半導体中のダングリングボンドの密度はさらに低くなり、炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍の界面準位密度をさらに低減することができる。界面準位密度の低減に伴い、炭化珪素半導体装置のチャネル移動度の向上が図られる。   Using the method described above, the oxide layer is subjected to nitriding treatment by exposing the oxide layer to a gas containing nitrogen. Then, silicon carbide dangling bonds existing in the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer are terminated by nitrogen. The carbon dangling bond of silicon carbide is terminated by aluminum and the dangling bond of silicon is terminated by nitrogen, so that the density of the dangling bonds in the silicon carbide semiconductor is further reduced. The interface state density in the vicinity of the interface between the semiconductor layer and the oxide layer can be further reduced. As the interface state density is reduced, the channel mobility of the silicon carbide semiconductor device is improved.

酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程とは、具体的には、酸化物層をＩＩＩ族元素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する工程である。この工程および、酸化物層を窒素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する工程においては、処理を受ける炭化珪素を含む半導体層は処理炉の内部に配置された状態で連続して処理が行なわれるとともに、ＩＩＩ族元素を含有するガスまたは窒素を含有するガスを、処理炉の外部より供給することが好ましい。処理炉の外部からガスを供給することにより、ガスの供給量の制御を再現性よく行なうことができる。   The step of adding a group III element to the oxide layer is specifically a step of exposing the oxide layer to a gas containing a group III element in a heated atmosphere. In this step and the step of exposing the oxide layer to a nitrogen-containing gas in a heated atmosphere, the semiconductor layer containing silicon carbide to be processed is continuously processed while being placed inside the processing furnace. In addition, it is preferable to supply a gas containing a group III element or a gas containing nitrogen from the outside of the processing furnace. By supplying the gas from the outside of the processing furnace, the gas supply amount can be controlled with good reproducibility.

ＩＩＩ族元素を含有するガスおよび窒素を含有するガスは、不活性ガスで希釈されていることが好ましい。不活性ガスで希釈した上で、これらのガスを処理炉の内部に供給する圧力を制御することにより、ＩＩＩ族元素含有ガスまたは窒素含有ガスの供給量と、処理炉の内部の圧力を適切に制御することが容易となる。その結果、再現性のある、量産性に優れた処理技術を確立することができる。   The gas containing a group III element and the gas containing nitrogen are preferably diluted with an inert gas. After diluting with an inert gas, by controlling the pressure at which these gases are supplied to the inside of the processing furnace, the supply amount of the group III element-containing gas or nitrogen-containing gas and the pressure inside the processing furnace are appropriately adjusted. It becomes easy to control. As a result, it is possible to establish a reproducible processing technique with excellent mass productivity.

なお、これらの工程は処理炉内で連続して行ない、処理炉の内部の温度を９００℃以上１５００℃以下に設定することが好ましい。処理を連続して行なうことにより、汚染源が処理炉の内部に混入することを抑制することができるとともに、処理効率を向上させることができる。   In addition, it is preferable to perform these processes continuously in a processing furnace, and to set the temperature inside a processing furnace to 900 degreeC or more and 1500 degrees C or less. By performing the processing continuously, it is possible to suppress contamination sources from entering the inside of the processing furnace, and it is possible to improve the processing efficiency.

以上に述べた方法を用いて形成される炭化珪素半導体装置は、炭化珪素を含む半導体層と、半導体層の主表面上に形成された酸化物層とを備えており、酸化物層にはＩＩＩ族元素を含む。上記ＩＩＩ族元素の濃度は、酸化物層の内部において、酸化物層の半導体層と対向しない主表面から、酸化物層の半導体層と対向する主表面に向かうにつれて単調に増加する。
以上に述べた方法を用いて形成される炭化珪素半導体装置は、炭化珪素を含む半導体層と、半導体層の主表面上に形成された酸化物層とを備えており、酸化物層にはＩＩＩ族元素を含む。酸化物層に含まれるＩＩＩ族元素はたとえばアルミニウムであることが好ましい。また、酸化物層には窒素を含むことがさらに好ましい。また、酸化物層の内部におけるＩＩＩ族元素および窒素の濃度は、酸化物層の半導体層と対向しない主表面から、酸化物層の半導体層と対向する主表面に向かうにつれて単調に増加することが好ましい。すなわち酸化物層の、半導体層との界面近傍において濃度が最大となる領域が存在することが好ましい。酸化物層の、半導体層と対向する主表面とはすなわち酸化物層と半導体層との界面である。炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍において濃度が最大となるように、酸化物層にアルミニウムや窒素を供給することにより、炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍に存在するダングリングボンドの密度を効率的に低減することができる。 A silicon carbide semiconductor device formed using the method described above includes a semiconductor layer containing silicon carbide and an oxide layer formed on the main surface of the semiconductor layer. Contains group elements. The concentration of the group III element monotonously increases from the main surface not facing the semiconductor layer of the oxide layer toward the main surface facing the semiconductor layer of the oxide layer inside the oxide layer.
A silicon carbide semiconductor device formed using the method described above includes a semiconductor layer containing silicon carbide and an oxide layer formed on the main surface of the semiconductor layer. Contains group elements. The group III element contained in the oxide layer is preferably aluminum, for example. The oxide layer further preferably contains nitrogen. Further, the concentration of the group III element and nitrogen inside the oxide layer may monotonously increase from the main surface that does not face the semiconductor layer of the oxide layer toward the main surface that faces the semiconductor layer of the oxide layer. preferable. That is, it is preferable that a region having a maximum concentration exists in the vicinity of the interface of the oxide layer with the semiconductor layer. The main surface of the oxide layer facing the semiconductor layer is the interface between the oxide layer and the semiconductor layer. In the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer by supplying aluminum or nitrogen to the oxide layer so that the concentration is maximized in the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer. It is possible to efficiently reduce the density of dangling bonds existing in.

ＩＩＩ族元素については、濃度が最大となる領域において１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下であることが好ましい。また、窒素については、濃度が最大となる領域において１×１０２０ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下であることが好ましい。この濃度範囲は、ダングリングボンドを終端させるために十分な濃度であると同時に、酸化物層の構造欠陥の発生を抑制することができる濃度範囲である。その結果、炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍に存在するダングリングボンドおよび格子欠陥の密度を低減することができる。 The Group III element is preferably 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less in the region where the concentration is maximum. Further, nitrogen is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less in a region where the concentration is maximum. This concentration range is a concentration range that is sufficient to terminate dangling bonds, and at the same time, can suppress the occurrence of structural defects in the oxide layer. As a result, the density of dangling bonds and lattice defects existing in the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer can be reduced.

なお、炭化珪素を含む半導体層の主表面は、（０００１）面から１５度以下のオフカット方向に傾いた結晶面であることがさらに好ましい。   Note that the main surface of the semiconductor layer containing silicon carbide is more preferably a crystal plane inclined in the offcut direction of 15 degrees or less from the (0001) plane.

上述した各方法を用いて形成される炭化珪素半導体装置とはたとえばＭＯＳＦＥＴであり、半導体層と酸化物層との界面近傍における界面準位密度は、１×１０１２ｃｍ−２／ｅＶ以下であることが好ましい。上述した界面準位密度とすれば、半導体装置としての実用上十分高いチャネル移動度を有する炭化珪素半導体装置を形成することができる。 The silicon carbide semiconductor device formed using each of the above-described methods is, for example, a MOSFET, and the interface state density in the vicinity of the interface between the semiconductor layer and the oxide layer is 1 × 10 12 cm −2 / eV or less. It is preferable. With the interface state density described above, a silicon carbide semiconductor device having a practically high channel mobility as a semiconductor device can be formed.

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法を用いることにより、界面準位密度が低く、チャネル移動度が高い炭化珪素半導体装置を作製することができる。   By using the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention, a silicon carbide semiconductor device having a low interface state density and a high channel mobility can be manufactured.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態が説明される。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす部位には同一の参照符号が付されており、その説明は特に必要がなければ繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each embodiment, parts having the same function are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless particularly necessary.

以下において、本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の手順について説明しながら、本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置についての詳細を説明する。図１は、本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の手順を示すフローチャートである。図１に示すように、まず、半導体層を準備する工程（Ｓ１０）を行なう。具体的には、炭化珪素半導体装置の基板となる半導体層を準備する工程である。   Hereinafter, details of the silicon carbide semiconductor device in the embodiment of the present invention will be described while describing the procedure of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in the embodiment of the present invention. FIG. 1 is a flowchart showing a procedure of a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, first, a step of preparing a semiconductor layer (S10) is performed. Specifically, this is a step of preparing a semiconductor layer to be a substrate of a silicon carbide semiconductor device.

図２の各図（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法を工程ごとに概略図で示したものである。そのうち図２（Ａ）は、半導体基板の一方の主表面上に炭化珪素のエピタキシャル層を形成させた半導体層の概略図である。工程（Ｓ１０）とは、図２（Ａ）に示す半導体層１０を準備する工程である。なお、以下において主表面とは、たとえば半導体層１０の表面のうち最も面積の大きい、水平方向（図中の左右方向）に沿った方向にセットされている表面をいう。また、以下において半導体層１０は、後述する図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）に示す、酸化物層が形成された状態のものも含めるものとする。   2A to 2D schematically show a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in an embodiment of the present invention for each step. 2A is a schematic diagram of a semiconductor layer in which an epitaxial layer of silicon carbide is formed on one main surface of the semiconductor substrate. The step (S10) is a step of preparing the semiconductor layer 10 shown in FIG. In the following, the main surface refers to the surface set in the direction along the horizontal direction (left-right direction in the drawing) having the largest area among the surfaces of the semiconductor layer 10, for example. In the following description, the semiconductor layer 10 includes a state in which an oxide layer is formed as shown in FIGS. 2B to 2D described later.

図２（Ａ）に示すように、半導体基板１の一方の主表面上に、たとえばＣＶＤ成長により、炭化珪素を含む半導体層としての炭化珪素エピタキシャル層２を形成する。ここでは半導体基板１として、たとえば主表面が（０００１）面に略平行である４Ｈ−ＳｉＣを用いる。ここで主表面が（０００１）面に略平行とは、主表面が（０００１）面に沿った方向であることを意味する。４Ｈ−ＳｉＣの主表面は、たとえば（１１−２０）面、（１−１００）面、あるいは（０３−３８）面に略平行な面、などであってもよい。なお、半導体層１０は、図２（Ａ）に示すように、半導体基板１の一方の主表面上に、たとえばＣＶＤ成長により炭化珪素エピタキシャル層２を形成させた積層構造であってもよいが、たとえば積層構造をとらない炭化珪素の基板のみを半導体層１０とみなしてもよい。あるいは、半導体基板１は炭化珪素以外の種類の半導体から構成されており、その半導体基板１の一方の主表面上に炭化珪素エピタキシャル層２を形成したものであってもよい。いずれの構成を採用するにしても、工程（Ｓ１０）において形成される半導体層１０は、炭化珪素を含む半導体層として形成することが好ましい。   As shown in FIG. 2A, silicon carbide epitaxial layer 2 as a semiconductor layer containing silicon carbide is formed on one main surface of semiconductor substrate 1 by, for example, CVD growth. Here, for example, 4H—SiC whose main surface is substantially parallel to the (0001) plane is used as the semiconductor substrate 1. Here, the main surface being substantially parallel to the (0001) plane means that the main surface is in a direction along the (0001) plane. The main surface of 4H—SiC may be, for example, a (11-20) plane, a (1-100) plane, or a plane substantially parallel to the (03-38) plane. As shown in FIG. 2A, semiconductor layer 10 may have a laminated structure in which silicon carbide epitaxial layer 2 is formed on one main surface of semiconductor substrate 1, for example, by CVD growth. For example, only a silicon carbide substrate having no laminated structure may be regarded as the semiconductor layer 10. Alternatively, semiconductor substrate 1 may be formed of a semiconductor other than silicon carbide, and silicon carbide epitaxial layer 2 may be formed on one main surface of semiconductor substrate 1. Whichever configuration is employed, the semiconductor layer 10 formed in the step (S10) is preferably formed as a semiconductor layer containing silicon carbide.

半導体基板１としては、たとえば一般に市販されていて入手可能な（０００１）を主表面とした４Ｈ−ＳｉＣを選択することができる。ここで、４Ｈ−ＳｉＣの高品質な結晶成長プロセスを実現するために、炭化珪素を含む半導体層には一般にオフカットを導入する。オフカットの角度は０度以上１５度以下であることが好ましい。なお、４度以上１０度以下であることがさらに好ましい。   As the semiconductor substrate 1, for example, 4H—SiC having a main surface of (0001), which is generally commercially available and available, can be selected. Here, in order to realize a high-quality crystal growth process of 4H—SiC, an offcut is generally introduced into a semiconductor layer containing silicon carbide. The off-cut angle is preferably 0 degrees or more and 15 degrees or less. It is more preferable that the angle is 4 degrees or more and 10 degrees or less.

なお、半導体層１０に含まれる炭化珪素の結晶多形（ポリタイプ）については、任意の種類を用いてもよい。ポリタイプが比較的安定であり、大面積の基板を作製することが可能であるという観点から、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣのいずれかのポリタイプを用いることが好ましい。   Note that any type of silicon carbide crystal polymorph (polytype) contained in the semiconductor layer 10 may be used. From the viewpoint that the polytype is relatively stable and a substrate having a large area can be manufactured, it is preferable to use any one of 4H—SiC, 6H—SiC, and 15R—SiC.

次に、酸化物層を形成する工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、半導体層１０の主表面上に酸化物層を形成する工程である。図２（Ｂ）は、半導体層１０の一方の主表面上に酸化物層を形成する態様を示す概略図である。以下においては図２（Ｂ）に示すように、たとえば半導体基板１の一方の主表面上に、たとえばＣＶＤ成長により炭化珪素エピタキシャル層２を形成させた積層構造である半導体層１０を準備した場合を考える。処理炉としてのチャンバー２０の内部に半導体層１０を配置させる。チャンバー２０としてはたとえば石英管を用いることが好ましい。そしてこのチャンバー２０の内部を酸化性雰囲気にするため、図２（Ｂ）に示すように、チャンバー２０の外部から、酸素を供給する。なお、酸化性雰囲気にするために供給するガスとして、酸素の代わりにたとえば水蒸気を含むガスを用いてもよい。たとえば酸素を供給することによりチャンバー２０の内部を酸化性雰囲気にした状態で、チャンバー２０の内部を加熱し、半導体層１０も高温とした状態で、たとえば炭化珪素エピタキシャル層２上に熱酸化膜を形成する。このようにして、炭化珪素エピタキシャル層２の、半導体基板１と対向しない主表面上に、平均厚みがたとえば約６０ｎｍの酸化物層３を形成する。なお、工程（Ｓ２０）を行なうために、熱酸化（ドライ酸化）以外に、たとえばＣＶＤやウェット酸化を用いてもよい。   Next, a step (S20) of forming an oxide layer is performed. Specifically, this is a step of forming an oxide layer on the main surface of the semiconductor layer 10. FIG. 2B is a schematic view showing an aspect in which an oxide layer is formed on one main surface of the semiconductor layer 10. In the following, as shown in FIG. 2B, for example, a case where semiconductor layer 10 having a laminated structure in which silicon carbide epitaxial layer 2 is formed on one main surface of semiconductor substrate 1, for example, by CVD growth is prepared. Think. The semiconductor layer 10 is disposed inside a chamber 20 as a processing furnace. For example, a quartz tube is preferably used as the chamber 20. In order to make the inside of the chamber 20 an oxidizing atmosphere, oxygen is supplied from the outside of the chamber 20 as shown in FIG. Note that a gas containing water vapor, for example, may be used instead of oxygen as the gas supplied to make the oxidizing atmosphere. For example, a thermal oxide film is formed on, for example, the silicon carbide epitaxial layer 2 in a state where the inside of the chamber 20 is in an oxidizing atmosphere by supplying oxygen and the inside of the chamber 20 is heated and the semiconductor layer 10 is also at a high temperature. Form. Thus, oxide layer 3 having an average thickness of, for example, about 60 nm is formed on the main surface of silicon carbide epitaxial layer 2 that does not face semiconductor substrate 1. In order to perform the step (S20), for example, CVD or wet oxidation may be used in addition to thermal oxidation (dry oxidation).

酸化物層３の材質としては、たとえば主として酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含むことが好ましい。ＳｉＯ２は、炭化珪素半導体装置のゲート酸化膜および絶縁材料に適している。従って、酸化物層３をシリコン酸化膜とすることにより、炭化珪素半導体装置の特性を向上することができる。また、上述したように、ＳｉＯ２の薄膜を熱酸化により形成させる場合、チャンバー２０の内部を加熱しながら酸素を導入するだけで形成させることができる。さらに、続く工程を連続して同じチャンバー２０の内部で（すなわち半導体層１０は移動させずにチャンバー２０の内部に配置されたままの状態で）、チャンバー２０の内部を高温に保ったまま行なうことができる。このようにすれば、汚染源が処理炉の内部に混入することを抑制することができるとともに、処理効率を向上させることができる。 As a material of the oxide layer 3, for example, silicon oxide (SiO 2 ) is preferably mainly included. SiO 2 is suitable for a gate oxide film and an insulating material of a silicon carbide semiconductor device. Therefore, the characteristics of the silicon carbide semiconductor device can be improved by using oxide layer 3 as a silicon oxide film. Further, as described above, when the SiO 2 thin film is formed by thermal oxidation, it can be formed only by introducing oxygen while heating the inside of the chamber 20. Further, the subsequent steps are continuously performed in the same chamber 20 (that is, the semiconductor layer 10 is not moved and is disposed in the chamber 20), and the chamber 20 is kept at a high temperature. Can do. If it does in this way, while being able to suppress that a contamination source mixes in the inside of a processing furnace, processing efficiency can be improved.

また、酸化物層３を形成するために熱酸化を行なうときのチャンバー２０の内部の温度は、９００℃以上１５００℃以下であることが好ましい。９００℃以下であれば処理に要する時間が増加することにより、処理効率が低下する。また、１５００℃以上であれば表面の荒れが顕著になり、表面の荒れは炭化珪素半導体装置としての特性低下の要因となる。なお、炭化珪素半導体装置の特性を向上させるためには、チャンバー２０の内部の温度を、上述した温度範囲の中間である、１１００℃以上１３００℃以下に設定することがより好ましい。   In addition, the temperature inside the chamber 20 when performing thermal oxidation to form the oxide layer 3 is preferably 900 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. If it is 900 degrees C or less, processing time will fall by the increase in the time which a process requires. Further, when the temperature is 1500 ° C. or higher, the surface roughness becomes remarkable, and the surface roughness becomes a factor of deterioration of characteristics as a silicon carbide semiconductor device. In order to improve the characteristics of the silicon carbide semiconductor device, the temperature inside chamber 20 is more preferably set to 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower, which is the middle of the above-described temperature range.

次に、ＩＩＩ族元素を含有させる工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、先の工程（Ｓ２０）にて形成させた酸化物層３の内部にＩＩＩ族元素を含有させる工程である。図２（Ｃ）は、酸化物層３の内部にＩＩＩ族元素を含有させる態様を示す概略図である。図２（Ｃ）に示すように、チャンバー２０の内部に、たとえばＩＩＩ族元素であるアルミニウムを含有するガスを供給し、酸化物層３の、炭化珪素エピタキシャル層２と対向しない一方の主表面を、ＩＩＩ族元素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する。ここでも半導体層１０自体も高温とした上で、半導体層１０をガスに曝露する。ここでは、アルミニウムを含有するガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いる。先の工程（Ｓ２０）にて酸化物層３を熱酸化にて形成させた場合は、半導体層１０は移動させずにチャンバー２０の内部に配置されたままの状態で、同一のチャンバー２０の内部に、ＩＩＩ族元素であるアルミニウムを含有するガスを供給することにより工程（Ｓ３０）を実施する処理を行なうことができる。   Next, the process (S30) of containing a group III element is implemented. Specifically, this is a step of containing a group III element in the oxide layer 3 formed in the previous step (S20). FIG. 2C is a schematic view showing a mode in which a group III element is contained in the oxide layer 3. As shown in FIG. 2C, a gas containing, for example, a group III element aluminum is supplied into the chamber 20, and one main surface of the oxide layer 3 not facing the silicon carbide epitaxial layer 2 is formed. And exposure to a gas containing a group III element in a heated atmosphere. Here again, the semiconductor layer 10 itself is heated to a high temperature and the semiconductor layer 10 is exposed to a gas. Here, trimethylaluminum (TMA) is used as the gas containing aluminum. In the case where the oxide layer 3 is formed by thermal oxidation in the previous step (S20), the semiconductor layer 10 is not moved and remains in the chamber 20 without being moved. In addition, the process of performing the step (S30) can be performed by supplying a gas containing aluminum which is a group III element.

ＩＩＩ族元素を含有するガスは、チャンバー２０の外部より供給されることが好ましい。チャンバー２０の外部からガスを供給することにより、ガスの供給量の制御を再現性よく行なうことができる。   The gas containing a group III element is preferably supplied from the outside of the chamber 20. By supplying the gas from the outside of the chamber 20, the supply amount of the gas can be controlled with good reproducibility.

半導体層１０をアルミニウムを含有するガス（ここではＴＭＡ）に高温で曝露することにより、ＴＭＡ中のアルミニウムが酸化物層３の内部に取り込まれ、アルミニウム含有酸化物層４となる。アルミニウム含有酸化物層４に含まれるアルミニウムの一部は、炭化珪素エピタキシャル層２とアルミニウム含有酸化物層４との界面近傍まで拡散する。ここで、アルミニウム原子はシリコン原子と原子半径が近いことから、炭化珪素エピタキシャル層２とアルミニウム含有酸化物層４との界面近傍のシリコン空孔を容易に置換する。その結果、それまで炭化珪素エピタキシャル層２とアルミニウム含有酸化物層４との界面近傍に存在していた、シリコン空孔の周囲の炭素のダングリングボンドは、上述したシリコン空孔を置換したアルミニウムにより終端される。   By exposing the semiconductor layer 10 to a gas containing aluminum (here, TMA) at a high temperature, the aluminum in the TMA is taken into the oxide layer 3 and becomes the aluminum-containing oxide layer 4. Part of aluminum contained in aluminum-containing oxide layer 4 diffuses to the vicinity of the interface between silicon carbide epitaxial layer 2 and aluminum-containing oxide layer 4. Here, since aluminum atoms have an atomic radius close to that of silicon atoms, silicon vacancies near the interface between silicon carbide epitaxial layer 2 and aluminum-containing oxide layer 4 are easily replaced. As a result, the dangling bonds of carbon around the silicon vacancies, which have existed in the vicinity of the interface between the silicon carbide epitaxial layer 2 and the aluminum-containing oxide layer 4 so far, are due to the aluminum replacing the silicon vacancies described above. Terminated.

また、本発明のようにＩＩＩ族元素としてアルミニウムを採択し、アルミニウムを含有するガスをチャンバー２０に供給することにより、反応を高い精度で再現性よく制御することができる。   Further, by adopting aluminum as a group III element as in the present invention and supplying a gas containing aluminum to the chamber 20, the reaction can be controlled with high accuracy and high reproducibility.

ＴＭＡはアルミニウムを含有する有機金属化合物の一種であり、半導体原料として量産され、一般的に使用されている。このため、ＩＩＩ族元素を含有するガスとして、たとえばＴＭＡのような有機金属化合物を用いることにより、安定した特性の炭化珪素半導体装置を安価に形成することができる。なお、アルミニウムを含有する有機金属化合物としてＴＭＡの代わりに、たとえばトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）を用いてもよい。   TMA is a kind of organometallic compound containing aluminum and is mass-produced as a semiconductor raw material and is generally used. For this reason, a silicon carbide semiconductor device having stable characteristics can be formed at low cost by using, for example, an organometallic compound such as TMA as the gas containing a group III element. Instead of TMA, for example, triethylaluminum (TEA) may be used as the organometallic compound containing aluminum.

ところで、工程（Ｓ３０）においても、処理を行なうためにはチャンバー２０の内部を加熱させる必要がある。酸化物層３の内部にアルミニウムを拡散させるために十分に高い温度とする必要があるため、工程（Ｓ３０）を実施するときのチャンバー２０の内部の温度は、工程（Ｓ２０）と同様に、９００℃以上１５００℃以下であることが好ましい。したがって、工程（Ｓ２０）と工程（Ｓ３０）とを連続して行なう場合には、工程（Ｓ２０）を行なった後、チャンバー２０の内部の温度を変更せずに、チャンバー２０の内部に供給するガスの種類だけ変更することにより工程（Ｓ３０）に進んでもよい。このように、処理を連続して行なうことにより、汚染源が処理炉の内部に混入することを抑制することができるとともに、処理効率を向上させることができる。   By the way, also in a process (S30), in order to perform a process, it is necessary to heat the inside of the chamber 20. FIG. Since it is necessary to set the temperature sufficiently high for diffusing aluminum into the oxide layer 3, the temperature inside the chamber 20 when performing the step (S30) is 900 as in the step (S20). It is preferable that it is 1 to 1500 ° C. Therefore, when the step (S20) and the step (S30) are performed continuously, the gas supplied into the chamber 20 without changing the temperature inside the chamber 20 after performing the step (S20). The process may proceed to step (S30) by changing only the type. Thus, by performing processing continuously, it can suppress that a contamination source mixes in the inside of a processing furnace, and can improve processing efficiency.

工程（Ｓ３０）においては、酸化物層３に含有させるＩＩＩ族元素としてたとえばガリウムやボロンを用いてもよい。この場合、ガリウムの有機金属化合物としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ボロンの化合物としてたとえばジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いることができる。 In the step (S30), for example, gallium or boron may be used as the group III element contained in the oxide layer 3. In this case, trimethylgallium (TMG) can be used as the organometallic compound of gallium and diborane (B 2 H 6 ) can be used as the boron compound.

また、図２（Ｃ）において、ＴＭＡとヘリウム（Ｈｅ）とを混合してチャンバー２０の内部に供給している。このように、ＩＩＩ族元素を含有するガスは、不活性ガスで希釈された状態でチャンバー２０の内部に供給されることが好ましい。ＩＩＩ族元素を含有するガスを不活性ガスで希釈して、ガスをチャンバー２０の内部に供給する圧力を制御することにより、ＩＩＩ族元素を含有するガスの供給量やチャンバー２０の内部の圧力を適切に制御することができる。その結果、再現性のある、量産性に優れた処理を容易に行なう技術を確立することができる。ここでチャンバー２０の内部に供給される不活性ガスとして、ヘリウムの代わりにたとえばアルゴン（Ａｒ）やネオン（Ｎｅ）を用いてもよい。また、上述した不活性ガスを２種類以上混合して、チャンバー２０の内部に供給してもよい。   In FIG. 2C, TMA and helium (He) are mixed and supplied into the chamber 20. Thus, it is preferable that the gas containing a group III element is supplied into the chamber 20 in a state diluted with an inert gas. By diluting the gas containing the group III element with an inert gas and controlling the pressure at which the gas is supplied into the chamber 20, the supply amount of the gas containing the group III element and the pressure inside the chamber 20 are controlled. It can be controlled appropriately. As a result, it is possible to establish a technique for easily performing reproducible and excellent mass productivity. Here, as the inert gas supplied into the chamber 20, for example, argon (Ar) or neon (Ne) may be used instead of helium. Further, two or more kinds of the above-described inert gases may be mixed and supplied into the chamber 20.

さらに、窒素を含有させる工程（Ｓ４０）を行なうことが好ましい。具体的には、アルミニウム含有酸化物層４の、炭化珪素エピタキシャル層２と対向しない一方の主表面を、窒素を含有するガス、たとえば一酸化窒素（ＮＯ）に加熱雰囲気中で曝露する工程である。   Furthermore, it is preferable to perform the process (S40) of containing nitrogen. Specifically, this is a step of exposing one main surface of the aluminum-containing oxide layer 4 not facing the silicon carbide epitaxial layer 2 to a gas containing nitrogen, for example, nitrogen monoxide (NO) in a heated atmosphere. .

図２（Ｄ）は、酸化物層３の内部に窒素を含有させる態様を示す概略図である。図２（Ｄ）に示すように、窒素を含有するガス（ここではＮＯ）についても、チャンバー２０の外部より供給されることが好ましい。チャンバー２０の外部からガスを供給することにより、ガスの供給量の制御を再現性よく行なうことができる。   FIG. 2D is a schematic view showing an embodiment in which nitrogen is contained in the oxide layer 3. As shown in FIG. 2D, it is preferable that a gas containing nitrogen (here, NO) is also supplied from the outside of the chamber 20. By supplying the gas from the outside of the chamber 20, the supply amount of the gas can be controlled with good reproducibility.

半導体層１０を窒素を含有するガス、たとえばＮＯに高温で曝露することにより、ＮＯ中の窒素がアルミニウム含有酸化物層４の内部に取り込まれ、アルミニウム窒素含有酸化物層５となる。アルミニウム窒素含有酸化物層５の内部に取り込まれた窒素の一部は、炭化珪素エピタキシャル層２とアルミニウム窒素含有酸化物層５との界面近傍に拡散する。ここで、窒素原子は炭素原子と原子半径が近いことから、界面近傍の炭素空孔を容易に置換する。その結果、それまで炭化珪素エピタキシャル層２とアルミニウム窒素含有酸化物層５との界面近傍に存在していた、炭素空孔の周囲のシリコンのダングリングボンドは、上述した炭素空孔を置換した窒素により終端される。   By exposing the semiconductor layer 10 to a nitrogen-containing gas, for example, NO at a high temperature, nitrogen in the NO is taken into the aluminum-containing oxide layer 4 and becomes the aluminum-nitrogen-containing oxide layer 5. Part of nitrogen taken into aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 diffuses in the vicinity of the interface between silicon carbide epitaxial layer 2 and aluminum nitrogen-containing oxide layer 5. Here, since the nitrogen atom has an atomic radius close to that of the carbon atom, the carbon vacancy in the vicinity of the interface is easily replaced. As a result, the dangling bonds of silicon around the carbon vacancies that existed in the vicinity of the interface between the silicon carbide epitaxial layer 2 and the aluminum-nitrogen-containing oxide layer 5 until now are the nitrogen that substituted the carbon vacancies described above. Terminated by

工程（Ｓ４０）においても、処理を行なうためにはチャンバー２０の内部を加熱させる必要がある。酸化物層３の内部に窒素を拡散させるために十分に高い温度とする必要があるため、工程（Ｓ４０）を実施するときのチャンバー２０の内部の温度は、工程（Ｓ２０）ないし工程（Ｓ３０）と同様に、９００℃以上１５００℃以下であることが好ましい。したがって、特に熱酸化により工程（Ｓ２０）を行った場合は、工程（Ｓ２０）および工程（Ｓ３０）を行なった後、半導体層１０は移動させずにチャンバー２０の内部に配置されたままの状態で、チャンバー２０の内部の温度を変更せずに、チャンバー２０の内部に供給するガスの種類だけ変更することにより工程（Ｓ４０）に進んでもよい。このように、処理を連続して行なうことにより、汚染源が処理炉の内部に混入することを抑制することができるとともに、処理効率を向上させることができる。また、工程（Ｓ４０）においても、チャンバー２０内部の加熱により半導体層１０も高温とした状態で窒素を炭化珪素エピタキシャル層２とアルミニウム窒素含有酸化物層５との界面近傍に拡散させる。   Also in the step (S40), it is necessary to heat the inside of the chamber 20 in order to perform the processing. Since it is necessary to set the temperature sufficiently high for diffusing nitrogen inside the oxide layer 3, the temperature inside the chamber 20 when the step (S40) is performed is the step (S20) to the step (S30). Similarly, it is preferably 900 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. Therefore, in particular, when the step (S20) is performed by thermal oxidation, the semiconductor layer 10 is left in the chamber 20 without being moved after the step (S20) and the step (S30). The process may proceed to step (S40) by changing only the type of gas supplied to the inside of the chamber 20 without changing the temperature inside the chamber 20. Thus, by performing processing continuously, it can suppress that a contamination source mixes in the inside of a processing furnace, and can improve processing efficiency. Also in the step (S40), nitrogen is diffused in the vicinity of the interface between the silicon carbide epitaxial layer 2 and the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 in a state where the temperature of the semiconductor layer 10 is also raised by heating inside the chamber 20.

チャンバー２０の内部に供給する窒素を含有するガスとしては、窒素ガスの単体であってもよいが、窒素ガス単体の場合、ガスを効率よく分解するために高温が必要となるため、窒素化合物のガスを用いることが好ましい。たとえばＮＯ、二窒化酸素（Ｎ２Ｏ）または二酸化窒素（ＮＯ２）からなる群から選択される少なくとも１つの窒素化合物を含むガスを供給することがより好ましい。窒素を含有するガスとして、半導体プロセスで一般的な材料である、たとえば上述したような窒素化合物ガスを用いることにより、優れた特性の炭化珪素半導体装置を安価に形成することができる。 The nitrogen-containing gas supplied to the inside of the chamber 20 may be nitrogen gas alone, but in the case of nitrogen gas alone, a high temperature is required to efficiently decompose the gas. It is preferable to use a gas. For example, it is more preferable to supply a gas containing at least one nitrogen compound selected from the group consisting of NO, oxygen dinitride (N 2 O), or nitrogen dioxide (NO 2 ). By using, for example, the nitrogen compound gas as described above, which is a general material in a semiconductor process, as the nitrogen-containing gas, a silicon carbide semiconductor device having excellent characteristics can be formed at low cost.

また、図２（Ｄ）において、ＮＯとヘリウム（Ｈｅ）とを混合してチャンバー２０の内部に供給している。このように、窒素を含有するガスについても、不活性ガスで希釈された状態でチャンバー２０の内部に供給されることが好ましい。このようにすれば、先の工程（Ｓ３０）における不活性ガスと同様の効果を奏する。   In FIG. 2D, NO and helium (He) are mixed and supplied into the chamber 20. Thus, it is preferable that the gas containing nitrogen is also supplied into the chamber 20 in a state diluted with an inert gas. If it does in this way, there exists an effect similar to the inert gas in a previous process (S30).

なお、工程（Ｓ３０）および工程（Ｓ４０）は、実施する順序を逆にしてもよい。すなわち、窒素を含有するガスを先にチャンバー２０の内部に供給した後、ＩＩＩ族元素を含有するガスを供給するという手順で工程を進めてもよい。あるいは、工程（Ｓ３０）と工程（Ｓ４０）とを同時に行なう、すなわち、窒素を含有するガスおよびＩＩＩ族元素を含有するガスとを同時にチャンバー２０の内部に供給するという手順を用いてもよい。このように、工程（Ｓ３０）と工程（Ｓ４０）とを同時に行なうことにより、工程の効率を向上させることができる。   It should be noted that the order of performing step (S30) and step (S40) may be reversed. That is, after the gas containing nitrogen is first supplied into the chamber 20, the process may be performed in a procedure of supplying a gas containing a group III element. Or you may use the procedure of performing a process (S30) and a process (S40) simultaneously, ie, supplying the gas containing nitrogen and the gas containing a III group element into the inside of the chamber 20 simultaneously. Thus, the efficiency of a process can be improved by performing a process (S30) and a process (S40) simultaneously.

さらに、工程（Ｓ１０）において、たとえば半導体基板１に炭化珪素エピタキシャル層２をＣＶＤ成長する処理についても、同一のチャンバー２０を用いて行なってもよい。この場合は工程（Ｓ１０）、工程（Ｓ２０）、工程（Ｓ３０）、工程（Ｓ４０）の全てを同一のチャンバー２０の内部で、内部に供給するガスのみを変更することにより連続して行なうことができ、全体の工程をさらに効率よく行なうことができる。   Furthermore, in the step (S10), for example, the same chamber 20 may be used for the CVD growth of the silicon carbide epitaxial layer 2 on the semiconductor substrate 1. In this case, the process (S10), the process (S20), the process (S30), and the process (S40) are all performed continuously in the same chamber 20 by changing only the gas supplied to the interior. And the entire process can be performed more efficiently.

以上の各工程により、酸化物層３にＩＩＩ族元素、たとえばアルミニウムを含有させたり、さらに窒素を含有させたりする処理を行なえば、酸化物層３は、たとえば図２（Ｃ）に示すようにアルミニウム含有酸化物層４、あるいは図２（Ｄ）に示すようにアルミニウム窒素含有酸化物層５となる。その結果、先述した要領でシリコンや炭素の空孔が置換されるために、炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍の炭素のダングリングボンドはＩＩＩ族元素、たとえばアルミニウムにより、シリコンのダングリングボンドは窒素により終端される割合が大きくなる。このため、炭化珪素エピタキシャル層２と、アルミニウム含有酸化物層４ないしアルミニウム窒素含有酸化物層５との界面近傍における界面準位を形成する原因となるダングリングボンドの密度が低減される。したがって、界面準位密度を低減させることができ、この半導体層を用いて炭化珪素半導体装置（半導体素子）を構成することにより、炭化珪素半導体装置のチャネル移動度を向上させることができる。   When the oxide layer 3 is treated by adding a group III element such as aluminum or further containing nitrogen by the above steps, the oxide layer 3 is formed as shown in FIG. 2C, for example. The aluminum-containing oxide layer 4 or the aluminum-nitrogen-containing oxide layer 5 as shown in FIG. As a result, since silicon and carbon vacancies are replaced in the manner described above, the dangling bond of carbon in the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer is changed to silicon by a group III element such as aluminum. This dangling bond has a higher proportion of being terminated by nitrogen. For this reason, the density of dangling bonds that cause the formation of interface states in the vicinity of the interface between silicon carbide epitaxial layer 2 and aluminum-containing oxide layer 4 or aluminum-nitrogen-containing oxide layer 5 is reduced. Therefore, the interface state density can be reduced, and the channel mobility of the silicon carbide semiconductor device can be improved by forming a silicon carbide semiconductor device (semiconductor element) using this semiconductor layer.

さらに窒素原子には、たとえば炭化珪素エピタキシャル層２とアルミニウム窒素含有酸化物層５との界面近傍における過剰な炭素原子を除去する効果がある。その結果、この半導体層を炭化珪素半導体装置の構成とした際に、チャネル移動度を向上させることができる。したがって、アルミニウム窒素含有酸化物層５は、アルミニウム含有酸化物層４よりも界面準位密度を低減することができ、チャネル移動度を向上させることができる。   Further, nitrogen atoms have an effect of removing excess carbon atoms in the vicinity of the interface between silicon carbide epitaxial layer 2 and aluminum nitrogen-containing oxide layer 5, for example. As a result, channel mobility can be improved when the semiconductor layer is configured as a silicon carbide semiconductor device. Therefore, the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 can reduce the interface state density more than the aluminum-containing oxide layer 4, and can improve the channel mobility.

以上の手順により形成された炭化珪素半導体装置は、炭化珪素を含む半導体層と、半導体層の主表面上に形成された酸化物層とを備えており、その酸化物層には、ＩＩＩ族元素を含む。以上の構成を有する炭化珪素半導体装置としては、たとえばＭＯＳＦＥＴやＭＯＳキャパシタがある。   The silicon carbide semiconductor device formed by the above procedure includes a semiconductor layer containing silicon carbide and an oxide layer formed on the main surface of the semiconductor layer. The oxide layer includes a group III element. including. Examples of the silicon carbide semiconductor device having the above configuration include a MOSFET and a MOS capacitor.

図３は、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法に従って形成された、縦型ＭＯＳＦＥＴの構成を示す断面図である。図３に示すように、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法に従って形成された、縦型ＭＯＳＦＥＴ３０は、先述した工程（Ｓ１０）にて準備した半導体基板１としての、たとえばｎ＋型の炭化珪素の基板の一方の主表面上に、ＣＶＤ成長により形成された、たとえばｎ−型の炭化珪素エピタキシャル層２が形成されている。 FIG. 3 is a cross sectional view showing a configuration of a vertical MOSFET formed according to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention. As shown in FIG. 3, vertical MOSFET 30 formed according to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention is, for example, n + type silicon carbide as semiconductor substrate 1 prepared in the above-described step (S10). For example, n − type silicon carbide epitaxial layer 2 formed by CVD growth is formed on one main surface of the substrate.

図３に示すように、炭化珪素エピタキシャル層２には、内部にウェル領域１１が形成されている。なお、図３におけるウェル領域１１はｐ型である。さらにウェル領域１１の内部には、ソース領域１２が形成されている。なお、図３におけるソース領域１２はｎ型である。そして、炭化珪素エピタキシャル層２、ウェル領域１１、およびソース領域１２の一方の主表面の一部を跨ぐように、先述した工程（Ｓ２０）により酸化物層が形成されている。この酸化物層には、先述した工程（Ｓ３０）および工程（Ｓ４０）により、アルミニウムと窒素が含有されており、アルミニウム窒素含有酸化物層５となっている。そして、図３に示すように、ソース領域１２の一部は、ソース電極１４とオーミック接触を形成している。また、図３に示すように、半導体基板１の、炭化珪素エピタキシャル層２が形成されていない側の主表面上には、ドレイン電極１５が形成されている。さらに、アルミニウム窒素含有酸化物層５の、炭化珪素エピタキシャル層２と対向しない側の主表面上には、ゲート電極１６が形成されている。   As shown in FIG. 3, well region 11 is formed in silicon carbide epitaxial layer 2. Note that the well region 11 in FIG. 3 is p-type. Further, a source region 12 is formed inside the well region 11. Note that the source region 12 in FIG. 3 is n-type. An oxide layer is formed by the above-described step (S20) so as to straddle part of one main surface of silicon carbide epitaxial layer 2, well region 11, and source region 12. This oxide layer contains aluminum and nitrogen by the above-described step (S30) and step (S40), thereby forming an aluminum-nitrogen-containing oxide layer 5. As shown in FIG. 3, a part of the source region 12 forms an ohmic contact with the source electrode 14. Further, as shown in FIG. 3, drain electrode 15 is formed on the main surface of semiconductor substrate 1 on the side where silicon carbide epitaxial layer 2 is not formed. Further, gate electrode 16 is formed on the main surface of aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 on the side not facing silicon carbide epitaxial layer 2.

半導体基板１は、たとえば主表面が（０００１）面に略平行な、４Ｈ−ＳｉＣを用いる。また、結晶欠陥密度の低い結晶成長プロセスを実現するためには、半導体基板１にはオフカットを導入し、半導体基板１の主表面をオフカット方向に傾いた結晶面とすることがさらに好ましい。オフカットの角度は０度以上１５度以下であることが好ましく、４度以上１０度以下であることがさらに好ましい。   For example, 4H—SiC whose main surface is substantially parallel to the (0001) plane is used for the semiconductor substrate 1. In order to realize a crystal growth process with a low crystal defect density, it is more preferable to introduce an offcut into the semiconductor substrate 1 so that the main surface of the semiconductor substrate 1 has a crystal plane inclined in the offcut direction. The off-cut angle is preferably 0 ° to 15 °, more preferably 4 ° to 10 °.

炭化珪素エピタキシャル層２のうち、ウェル領域１１以外の領域は、半導体基板１における炭化珪素の濃度よりも低濃度であり、ｎ型不純物を含む炭化珪素の層である、ドリフト領域１３である。縦型ＭＯＳＦＥＴ３０は、炭化珪素エピタキシャル層２が多数のウェル領域１１とドリフト領域１３とを含む構成となっている。   In silicon carbide epitaxial layer 2, a region other than well region 11 is drift region 13, which is a silicon carbide layer having an n-type impurity concentration that is lower than the concentration of silicon carbide in semiconductor substrate 1. In vertical MOSFET 30, silicon carbide epitaxial layer 2 includes a large number of well regions 11 and drift regions 13.

縦型ＭＯＳＦＥＴ３０におけるアルミニウム窒素含有酸化物層５の内部に含有される、ＩＩＩ族元素であるアルミニウムおよび窒素の濃度は、いずれもアルミニウム窒素含有酸化物層５の、炭化珪素エピタキシャル層２と対向しない主表面から、アルミニウム窒素含有酸化物層５の、炭化珪素エピタキシャル層２と対向する主表面に向かうにつれて単調に増加することが好ましい。すなわち、ＩＩＩ族元素であるアルミニウムおよび窒素の濃度は、アルミニウム窒素含有酸化物層５の内部においては、炭化珪素エピタキシャル層２との界面近傍の領域において最大になる。界面準位密度の原因となる、たとえばシリコンのダングリングボンドの密度は、炭化珪素を含む半導体層と酸化物層との界面近傍で最大となる。このため、界面近傍のダングリングボンドを終端させるために必要な、たとえばアルミニウムや窒素の濃度は、アルミニウム窒素含有酸化物層５の、炭化珪素エピタキシャル層２との界面近傍において最大とすることが好ましい。   The concentrations of aluminum and nitrogen, which are group III elements, contained in the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 in the vertical MOSFET 30 are not mainly opposed to the silicon carbide epitaxial layer 2 of the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5. It is preferable to increase monotonously from the surface toward the main surface of the aluminum-nitrogen-containing oxide layer 5 facing the silicon carbide epitaxial layer 2. That is, the concentrations of group III elements aluminum and nitrogen are maximized in the region near the interface with silicon carbide epitaxial layer 2 inside aluminum nitrogen-containing oxide layer 5. The density of, for example, silicon dangling bonds that cause the interface state density is maximized in the vicinity of the interface between the semiconductor layer containing silicon carbide and the oxide layer. Therefore, for example, the concentration of aluminum or nitrogen necessary for terminating dangling bonds in the vicinity of the interface is preferably maximized in the vicinity of the interface between aluminum nitride-containing oxide layer 5 and silicon carbide epitaxial layer 2. .

ここで、縦型ＭＯＳＦＥＴ３０におけるアルミニウム窒素含有酸化物層５の内部のうち、アルミニウムおよび窒素の濃度が最大となる領域においては、アルミニウムの濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下であり、窒素の濃度は１×１０２０ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下であることがさらに好ましい。これは、炭化珪素エピタキシャル層２と、アルミニウム窒素含有酸化物層５との界面近傍に存在するダングリングボンドをアルミニウムまたは窒素により終端し、界面準位密度を低減するために十分な濃度である。また、それと同時に、上述した範囲内のアルミニウムまたは窒素の濃度とすることにより、アルミニウム窒素含有酸化物層５の内部における構造欠陥の発生を抑制することができる。 Here, in the region where the concentration of aluminum and nitrogen is maximum in the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 in the vertical MOSFET 30, the concentration of aluminum is 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −. 3 or less, and the concentration of nitrogen is more preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less. This is a concentration sufficient to terminate the dangling bonds existing in the vicinity of the interface between the silicon carbide epitaxial layer 2 and the aluminum-nitrogen-containing oxide layer 5 with aluminum or nitrogen and reduce the interface state density. At the same time, by setting the concentration of aluminum or nitrogen within the above-described range, the occurrence of structural defects in the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 can be suppressed.

縦型ＭＯＳＦＥＴ３０における、アルミニウム窒素含有酸化物層５と、半導体層である炭化珪素エピタキシャル層２との界面近傍における界面準位密度は、１×１０１２ｃｍ−２／ｅＶ以下であることが好ましい。界面準位密度を上述した値まで低減することにより、縦型ＭＯＳＦＥＴ３０には、炭化珪素半導体装置（ＭＯＳＦＥＴ）としての実用上十分高いチャネル移動度を持たせることができる。 In vertical MOSFET 30, the interface state density in the vicinity of the interface between aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 and silicon carbide epitaxial layer 2 that is a semiconductor layer is preferably 1 × 10 12 cm −2 / eV or less. By reducing the interface state density to the above-described value, the vertical MOSFET 30 can have a practically high channel mobility as a silicon carbide semiconductor device (MOSFET).

以上のように形成された、アルミニウム窒素含有酸化物層５をゲート酸化膜とする縦型ＭＯＳＦＥＴ３０は、炭化珪素エピタキシャル層２のアルミニウム窒素含有酸化物層５との界面近傍の界面準位密度が低減されており、チャネル移動度を向上させることができる。また、ゲートバイアスを下地層に効率よく付与させることができるため、高い電流駆動力を実現することができる。   In the vertical MOSFET 30 having the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 as a gate oxide film formed as described above, the interface state density in the vicinity of the interface between the silicon carbide epitaxial layer 2 and the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 is reduced. Therefore, channel mobility can be improved. In addition, since a gate bias can be efficiently applied to the base layer, a high current driving capability can be realized.

図４は、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法に従って形成させた、横型ＭＯＳＦＥＴの構成を示す断面図である。図４に示すように、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法に従って形成させた、横型ＭＯＳＦＥＴ４０は、先述した工程（Ｓ１０）にて準備した半導体基板２１としてのたとえばｐ＋型の炭化珪素の基板の一方の主表面上に、ＣＶＤ成長により形成させた、たとえばｐ−型の炭化珪素エピタキシャル層２２が形成されている。 FIG. 4 is a cross sectional view showing a configuration of a lateral MOSFET formed according to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention. As shown in FIG. 4, a lateral MOSFET 40 formed according to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention is, for example, a p + type silicon carbide substrate as the semiconductor substrate 21 prepared in the step (S10) described above. For example, ap − type silicon carbide epitaxial layer 22 formed by CVD growth is formed on one main surface.

図４に示すように、炭化珪素エピタキシャル層２２には、内部にウェル領域１７が２箇所に形成されており、これらがそれぞれソース領域、ドレイン領域となる。なお、図４におけるウェル領域１７はｎ型である。また、炭化珪素エピタキシャル層２２の、２箇所のウェル領域１７の一方の主表面の一部を跨ぐように、先述した工程（Ｓ２０）にて酸化物層が形成されている。この酸化物層には、先述した工程（Ｓ３０）および工程（Ｓ４０）により、アルミニウムと窒素が含有されており、アルミニウム窒素含有酸化物層５となっている。また、２つのウェル領域１７の一方の主表面の一部には、それぞれソース電極１４およびドレイン電極１５が配置されており、アルミニウム窒素含有酸化物層５の一方の主表面の一部には、ゲート電極１６が配置されている。   As shown in FIG. 4, the silicon carbide epitaxial layer 22 has two well regions 17 formed therein, which become a source region and a drain region, respectively. Note that the well region 17 in FIG. 4 is n-type. In addition, an oxide layer is formed in the above-described step (S20) so as to straddle part of one main surface of two well regions 17 of silicon carbide epitaxial layer 22. This oxide layer contains aluminum and nitrogen by the above-described step (S30) and step (S40), thereby forming an aluminum-nitrogen-containing oxide layer 5. Further, a source electrode 14 and a drain electrode 15 are respectively disposed on a part of one main surface of the two well regions 17, and a part of one main surface of the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 is A gate electrode 16 is disposed.

上述した構造についてのみ、横型ＭＯＳＦＥＴ４０は縦型ＭＯＳＦＥＴ３０と異なる。すなわち、横型ＭＯＳＦＥＴ４０のアルミニウム窒素含有酸化物層５における、ＩＩＩ族元素であるアルミニウムおよび窒素の濃度や濃度の分布、半導体基板２１の主表面などの条件は、先述した縦型ＭＯＳＦＥＴ３０に順ずる。   Only in the structure described above, the lateral MOSFET 40 is different from the vertical MOSFET 30. That is, the conditions of the concentration and distribution of group III elements aluminum and nitrogen, the main surface of the semiconductor substrate 21 and the like in the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 of the lateral MOSFET 40 are the same as those of the vertical MOSFET 30 described above.

本発明の、酸化物層にＩＩＩ族元素（たとえばアルミニウム）および窒素を含む炭化珪素半導体装置としては、ＭＯＳＦＥＴやＭＯＳキャパシタがある。当該ＭＯＳＦＥＴの構成としては、たとえば図３に示す縦型ＭＯＳＦＥＴ３０の他に、たとえば図４に示す横型ＭＯＳＦＥＴ４０としてもよい。ただし、縦型ＭＯＳＦＥＴ３０の方が、横型ＭＯＳＦＥＴ４０に比べて、高耐圧化や高集積化が容易である。また、図３に示す縦型ＭＯＳＦＥＴ３０および図４に示す横型ＭＯＳＦＥＴ４０は、各半導体構成要素の導電型（ｐ型とｎ型）を逆にした構成としてもよい。   Examples of the silicon carbide semiconductor device of the present invention in which an oxide layer contains a group III element (for example, aluminum) and nitrogen include a MOSFET and a MOS capacitor. As the configuration of the MOSFET, for example, a horizontal MOSFET 40 shown in FIG. 4 may be used in addition to the vertical MOSFET 30 shown in FIG. However, the vertical MOSFET 30 is easier to achieve higher breakdown voltage and higher integration than the horizontal MOSFET 40. Further, the vertical MOSFET 30 shown in FIG. 3 and the horizontal MOSFET 40 shown in FIG. 4 may have a configuration in which the conductivity type (p-type and n-type) of each semiconductor component is reversed.

本発明の実施の形態による先述した図３に示す縦型ＭＯＳＦＥＴ３０を、以下に示す条件にて形成して、界面準位密度およびチャネル移動度の測定を行なった。本実施例において形成した縦型ＭＯＳＦＥＴ３０は、先述した工程（Ｓ１０）によって半導体基板１としてｎ＋型の４Ｈ−ＳｉＣ基板の、主表面が（０００１）面から、オフカット角度が８度である面を準備し、その一方の主表面上に、図２（Ａ）に示すようにＣＶＤ成長により、ｎ−型の炭化珪素エピタキシャル層２を形成した。 The above-described vertical MOSFET 30 shown in FIG. 3 according to the embodiment of the present invention was formed under the following conditions, and the interface state density and channel mobility were measured. The vertical MOSFET 30 formed in this example is a surface of the n + type 4H—SiC substrate as the semiconductor substrate 1 in the above-described step (S10), the main surface of which is from the (0001) plane, and the offcut angle is 8 degrees. The n − type silicon carbide epitaxial layer 2 was formed on one main surface by CVD growth as shown in FIG. 2 (A).

そして先述した工程（Ｓ２０）により、炭化珪素エピタキシャル層２の主表面上には、図２（Ｂ）に示すように、チャンバー２０の外部から内部に、酸素を供給しながら、チャンバー２０の内部で１２００℃にて熱酸化を行なうことにより、主として酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含む、平均厚みが６０ｎｍの酸化物層３を形成した。 Then, by the above-described step (S20), oxygen is supplied to the main surface of the silicon carbide epitaxial layer 2 from the outside to the inside of the chamber 20 as shown in FIG. By performing thermal oxidation at 1200 ° C., an oxide layer 3 having an average thickness of 60 nm mainly including silicon oxide (SiO 2 ) was formed.

その後、先述した工程（Ｓ３０）として、チャンバー２０の外部から内部に、アルミニウムを含有する有機金属化合物であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）をヘリウムで希釈した状態で供給し、酸化物層３の、炭化珪素エピタキシャル層２と対向しない一方の主表面に曝露させた。このとき、アルミニウムを酸化物層３の内部に十分に拡散させるために、チャンバー２０の内部の温度は１０００℃にして、１時間処理を行なった。   Thereafter, as the above-described step (S30), TMA (trimethylaluminum), which is an organometallic compound containing aluminum, is supplied from the outside to the inside of the chamber 20 in a state diluted with helium. It was exposed to one main surface not facing the epitaxial layer 2. At this time, in order to sufficiently diffuse aluminum into the oxide layer 3, the temperature inside the chamber 20 was set to 1000 ° C., and the treatment was performed for 1 hour.

次に、先述した工程（Ｓ４０）として、チャンバー２０の外部から内部に、一酸化窒素（ＮＯ）をヘリウムで希釈した状態で供給することにより、アルミニウム含有酸化物層４の、炭化珪素エピタキシャル層２と対向しない一方の主表面に曝露させた。このときも、チャンバー２０の内部の温度は１０００℃にして、１時間処理を行なった。   Next, as a step (S40) described above, by supplying nitrogen monoxide (NO) diluted with helium from the outside to the inside of the chamber 20, the silicon carbide epitaxial layer 2 of the aluminum-containing oxide layer 4 is supplied. It was exposed to one main surface which is not opposite. Also at this time, the temperature inside the chamber 20 was set to 1000 ° C., and the treatment was performed for 1 hour.

以上の手順により、酸化物層３を、平均厚みが６０ｎｍのアルミニウム窒素含有酸化物層５とした。そして、アルミニウム窒素含有酸化物層５の、炭化珪素エピタキシャル層２と対向しない主表面から、アルミニウム窒素含有酸化物層５の、炭化珪素エピタキシャル層２と対向する主表面に向かう方向（厚み方向）におけるアルミニウム濃度プロファイルおよび窒素濃度プロファイルをＳＩＭＳにより測定した。さらに、アルミニウム濃度および窒素濃度が最大となる領域（最大ピーク位置）におけるアルミニウム濃度および窒素濃度を測定した。   By the above procedure, the oxide layer 3 was made the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 having an average thickness of 60 nm. In the direction (thickness direction) from the main surface of aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 not facing silicon carbide epitaxial layer 2 to the main surface of aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 facing silicon carbide epitaxial layer 2. Aluminum concentration profile and nitrogen concentration profile were measured by SIMS. Furthermore, the aluminum concentration and the nitrogen concentration in a region where the aluminum concentration and the nitrogen concentration are maximum (maximum peak position) were measured.

先述した図３に示す縦型ＭＯＳＦＥＴ３０を、上述したように酸化物層にアルミニウムと窒素とを含有させた（アルミニウム処理＋窒素処理）サンプルの他に、データの比較を行なうため、上述した工程（Ｓ３０）および工程（Ｓ４０）と同様の手順により、酸化物層にアルミニウムのみを含有させた（アルミニウム処理のみ）サンプル、酸化物層に窒素のみを含有させた（窒素処理のみ）サンプル、およびいずれも含有させない（処理無し）サンプルの４種類を形成した。そして４種類それぞれの厚み方向におけるアルミニウム濃度プロファイルおよび窒素濃度プロファイルをＳＩＭＳにより測定した。さらに、アルミニウム濃度および窒素濃度が最大となる領域（最大ピーク位置）におけるアルミニウム濃度および窒素濃度を測定した。また、それぞれのサンプルの界面準位密度およびチャネル移動度を測定した。なお、ここでサンプル名に用いた窒素処理とは、窒化処理とほぼ同義である。   In addition to the sample in which the vertical MOSFET 30 shown in FIG. 3 described above contains aluminum and nitrogen in the oxide layer as described above (aluminum treatment + nitrogen treatment), the above-described process ( In the same procedure as in S30) and step (S40), a sample containing only aluminum in the oxide layer (only aluminum treatment), a sample containing only nitrogen in the oxide layer (only nitrogen treatment), and both Four types of samples that were not included (no treatment) were formed. The aluminum concentration profile and the nitrogen concentration profile in the thickness direction of each of the four types were measured by SIMS. Furthermore, the aluminum concentration and the nitrogen concentration in a region where the aluminum concentration and the nitrogen concentration are maximum (maximum peak position) were measured. In addition, the interface state density and channel mobility of each sample were measured. Here, the nitrogen treatment used for the sample name is almost synonymous with the nitriding treatment.

表１は、酸化物層の処理方法の異なる４種類の縦型ＭＯＳＦＥＴ３０の不純物ピーク濃度、界面準位密度、およびチャネル移動度を示す表である。表１において、不純物ピーク濃度とは、最大ピーク位置におけるアルミニウムないし窒素の濃度である。表１より、アルミニウムを含有させた酸化物層については、アルミニウムの不純物ピーク濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上となっているが、アルミニウムを含有させなかった酸化物層については、アルミニウムの不純物ピーク濃度は１×１０１３ｃｍ−３以下となった。また、窒素を含有させた酸化物層については、窒素の不純物ピーク濃度が８×１０２０ｃｍ−３以上となったが、窒素を含有させなかった酸化物層については、窒素の不純物ピーク濃度は１×１０１５ｃｍ−３以下となった。 Table 1 is a table showing the impurity peak concentration, interface state density, and channel mobility of four types of vertical MOSFETs 30 having different oxide layer processing methods. In Table 1, the impurity peak concentration is the concentration of aluminum or nitrogen at the maximum peak position. From Table 1, the oxide peak containing aluminum has an impurity peak concentration of aluminum of 1 × 10 19 cm −3 or more, but the oxide layer not containing aluminum has an aluminum impurity concentration. The peak concentration was 1 × 10 13 cm −3 or less. Further, for the oxide layer containing nitrogen, the impurity peak concentration of nitrogen was 8 × 10 20 cm −3 or more, but for the oxide layer not containing nitrogen, the impurity peak concentration of nitrogen was It became 1 × 10 15 cm −3 or less.

Figure 0005292968
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なお、表１には示さないが、アルミニウムおよび窒素の最大ピーク位置は、アルミニウム窒素含有酸化物層５の内部の、炭化珪素エピタキシャル層２との界面から１５ｎｍ以内の領域に存在した。このことからも、不純物の濃度は、アルミニウム窒素含有酸化物層５の内部において、炭化珪素エピタキシャル層２と対向する主表面に向かうにつれて単調に増加し、界面近傍において最大となることがわかる。   Although not shown in Table 1, the maximum peak positions of aluminum and nitrogen existed in a region within 15 nm from the interface with silicon carbide epitaxial layer 2 inside aluminum nitrogen-containing oxide layer 5. This also shows that the impurity concentration monotonously increases toward the main surface facing the silicon carbide epitaxial layer 2 in the aluminum nitrogen-containing oxide layer 5 and becomes maximum near the interface.

また、最大ピーク位置の不純物ピーク濃度の半値幅は、アルミニウムが約１０ｎｍであり、窒素が約１５ｎｍであった。   The half width of the impurity peak concentration at the maximum peak position was about 10 nm for aluminum and about 15 nm for nitrogen.

表１に示すように、（アルミニウム処理＋窒素処理）のサンプルにおいて、界面準位密度が最も低く、（アルミニウム処理）のサンプル、（窒素処理）のサンプル、（処理無し）のサンプルの順に、界面準位密度が高くなっていく。   As shown in Table 1, in the sample of (aluminum treatment + nitrogen treatment), the interface state density is the lowest, in the order of the sample of (aluminum treatment), the sample of (nitrogen treatment), and the sample of (no treatment). The level density increases.

また、表１より、（アルミニウム処理＋窒素処理）のサンプルにおいて、チャネル移動度が最も高く、以下、（アルミニウム処理）のサンプル、（窒素処理）のサンプル、（処理無し）のサンプルの順に、チャネル移動度が低くなっていく。したがって以上より、（アルミニウム処理＋窒素処理）のサンプルが最も炭化珪素半導体装置として高性能であり、以下、（アルミニウム処理）のサンプル、（窒素処理）のサンプル、（処理無し）のサンプルの順に続く。   In addition, from Table 1, the channel mobility is highest in the sample of (aluminum treatment + nitrogen treatment), and the channel is in the order of the sample of (aluminum treatment), the sample of (nitrogen treatment), and the sample of (no treatment). Mobility is getting lower. Therefore, from the above, the (aluminum treatment + nitrogen treatment) sample has the highest performance as a silicon carbide semiconductor device, and the (aluminum treatment) sample, the (nitrogen treatment) sample, and the (no treatment) sample follow in this order. .

酸化物層に対しては、本発明の実施の形態に示すように、ＩＩＩ族元素であるたとえばアルミニウムと、窒素とを含有させることが、界面準位密度を低減させ、炭化珪素半導体装置のチャネル移動度を向上させるために好ましい。なお、ＩＩＩ族元素であるたとえばアルミニウムのみを酸化物層に含有させた場合に、アルミニウムと窒素との両方を含有させた場合に次いで、界面準位密度を低減させ、チャネル移動度を向上させることができる。いずれにしても、表１より、酸化物層に対してアルミニウムあるいは窒素を含有させる処理を全く行なわない場合に比べて非常に大きな改善効果を有していることがわかる。このため、炭化珪素半導体装置の界面準位密度の低減には、アルミニウム処理および窒素処理が非常に有効である。   For the oxide layer, as shown in the embodiment of the present invention, inclusion of group III elements such as aluminum and nitrogen reduces the interface state density, and the channel of the silicon carbide semiconductor device. It is preferable in order to improve mobility. In addition, when only the group III element, for example, aluminum is included in the oxide layer, and when both aluminum and nitrogen are included, the interface state density is reduced and the channel mobility is improved. Can do. In any case, it can be seen from Table 1 that the oxide layer has a very large improvement effect compared to the case where the treatment for containing aluminum or nitrogen is not performed at all. For this reason, aluminum treatment and nitrogen treatment are very effective in reducing the interface state density of the silicon carbide semiconductor device.

炭化珪素エピタキシャル層２の、酸化物層との界面近傍に存在する炭素のダングリングボンドおよびシリコンのダングリングボンドは、先述したように界面準位を形成する原因となる。しかし、酸化物層の内部にたとえばアルミニウムや窒素を拡散させるアルミニウム処理や窒素処理を施すと、上述したダングリングボンドの終端を促進させることができる。このことが、炭化珪素半導体装置の界面準位密度の低減やチャネル移動度の向上など、炭化珪素半導体装置の特性を向上させるための主要な役割を果たしていると考えられる。したがって、本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法を用いれば、より低電力損失な炭化珪素半導体装置を提供することができる。   The carbon dangling bonds and silicon dangling bonds existing in the vicinity of the interface with the oxide layer of the silicon carbide epitaxial layer 2 cause the formation of interface states as described above. However, when an aluminum treatment or a nitrogen treatment for diffusing aluminum or nitrogen, for example, into the oxide layer, the termination of the dangling bond described above can be promoted. This is considered to play a major role for improving the characteristics of the silicon carbide semiconductor device, such as reducing the interface state density of the silicon carbide semiconductor device and improving the channel mobility. Therefore, if the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in the embodiment of the present invention is used, a silicon carbide semiconductor device with lower power loss can be provided.

なお、炭化珪素エピタキシャル層の炭素原子やシリコン原子、およびアルミニウム原子と窒素原子とのそれぞれの原子半径の関係などから、炭素のダングリングボンドにはアルミニウムが、シリコンのダングリングボンドには窒素が、より効果的に終端するものと考えられる。   From the relationship between the atomic radii of carbon atoms, silicon atoms, and aluminum atoms and nitrogen atoms in the silicon carbide epitaxial layer, aluminum is used for carbon dangling bonds, nitrogen is used for silicon dangling bonds, It is thought to terminate more effectively.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、チャネル移動度の高い、すなわちより低損失な炭化珪素半導体装置（半導体素子）を提供する技術として、特に優れている。   The present invention is particularly excellent as a technique for providing a silicon carbide semiconductor device (semiconductor element) having high channel mobility, that is, lower loss.

本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in embodiment of this invention. （Ａ）半導体基板の一方の主表面上に炭化珪素のエピタキシャル層を形成させた半導体層の概略図である。（Ｂ）半導体層１０の一方の主表面上に酸化物層を形成する態様を示す概略図である。（Ｃ）酸化物層３の内部にＩＩＩ族元素を含有させる態様を示す概略図である。（Ｄ）酸化物層３の内部に窒素を含有させる態様を示す概略図である。(A) It is the schematic of the semiconductor layer in which the epitaxial layer of silicon carbide was formed on one main surface of a semiconductor substrate. FIG. 2B is a schematic diagram illustrating an aspect in which an oxide layer is formed on one main surface of the semiconductor layer 10. (C) It is the schematic which shows the aspect which contains a group III element in the inside of the oxide layer 3. FIG. (D) It is the schematic which shows the aspect which makes the inside of the oxide layer 3 contain nitrogen. 本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法に従って形成させた、縦型ＭＯＳＦＥＴの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of vertical MOSFET formed according to the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of this invention. 本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法に従って形成させた、横型ＭＯＳＦＥＴの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of lateral MOSFET formed according to the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ 半導体基板、２ 炭化珪素エピタキシャル層、３ 酸化物層、４ アルミニウム含有酸化物層、５ アルミニウム窒素含有酸化物層、１０ 半導体層、１１ ウェル領域、１２ ソース領域、１３ ドリフト領域、１４ ソース電極、１５ ドレイン電極、１６ ゲート電極、１７ ウェル領域、２０ チャンバー、２１ 半導体基板、２２ 炭化珪素エピタキシャル層、３０ 縦型ＭＯＳＦＥＴ、４０ 横型ＭＯＳＦＥＴ。   1 semiconductor substrate, 2 silicon carbide epitaxial layer, 3 oxide layer, 4 aluminum-containing oxide layer, 5 aluminum nitrogen-containing oxide layer, 10 semiconductor layer, 11 well region, 12 source region, 13 drift region, 14 source electrode, 15 drain electrode, 16 gate electrode, 17 well region, 20 chamber, 21 semiconductor substrate, 22 silicon carbide epitaxial layer, 30 vertical MOSFET, 40 lateral MOSFET.

Claims (18)

炭化珪素を含む半導体層を準備する工程と、
前記半導体層の主表面上に酸化物層を形成する工程と、
前記酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程とを備え、
前記酸化物層の、前記半導体層と対向しない一方の主表面を、窒素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する工程をさらに備え、
前記酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程と、前記酸化物層を前記窒素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する工程とは、処理炉内で連続して行なわれる、炭化珪素半導体装置の製造方法。 Preparing a semiconductor layer containing silicon carbide;
Forming an oxide layer on the main surface of the semiconductor layer;
Including a group III element in the oxide layer ,
A step of exposing one main surface of the oxide layer not facing the semiconductor layer to a gas containing nitrogen in a heated atmosphere;
The step of causing the oxide layer to contain a group III element and the step of exposing the oxide layer to the gas containing nitrogen in a heated atmosphere are performed continuously in a processing furnace. Manufacturing method. 前記ＩＩＩ族元素はアルミニウムである、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the group III element is aluminum. 前記酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程および、前記酸化物層を前記窒素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する工程において、前記半導体層は前記処理炉の内部に配置された状態で処理が行なわれるとともに、ＩＩＩ族元素を含有するガスまたは前記窒素を含有するガスを、前記処理炉の外部より供給する、請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 In the step of adding a group III element to the oxide layer and the step of exposing the oxide layer to a gas containing nitrogen in a heated atmosphere, the semiconductor layer is disposed in the processing furnace. together with the processing is performed, a gas containing gas or the nitrogen-containing I II group element, supplies from the outside of the processing furnace, method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2. 前記酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程は、前記酸化物層の、前記半導体層と対向しない一方の主表面を、ＩＩＩ族元素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step of allowing the oxide layer to contain a group III element exposes one main surface of the oxide layer that does not face the semiconductor layer to a gas containing a group II element in a heated atmosphere. 2. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to 1. 前記ＩＩＩ族元素を含有するガスは、アルミニウムを含有する有機金属化合物である、請求項４に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 4 , wherein the gas containing a group III element is an organometallic compound containing aluminum. 前記酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程および、前記酸化物層を前記窒素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する工程において、前記半導体層は前記処理炉の内部に配置された状態で処理が行なわれるとともに、前記ＩＩＩ族元素を含有するガスまたは前記窒素を含有するガスを、前記処理炉の外部より供給する、請求項４または５に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 In the step of adding a group III element to the oxide layer and the step of exposing the oxide layer to a gas containing nitrogen in a heated atmosphere, the semiconductor layer is disposed in the processing furnace. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 4 or 5 , wherein processing is performed and a gas containing the group III element or a gas containing nitrogen is supplied from the outside of the processing furnace. 前記ＩＩＩ族元素を含有するガスおよび前記窒素を含有するガスは、不活性ガスで希釈されている、請求項４〜６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 4 to 6 , wherein the gas containing the group III element and the gas containing nitrogen are diluted with an inert gas. 前記窒素を含有するガスは、一酸化窒素、二酸化窒素または二窒化酸素からなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The manufacturing method of a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the nitrogen-containing gas includes at least one selected from the group consisting of nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, and oxygen dinitride. Method. 前記酸化物層にＩＩＩ族元素を含有させる工程および、前記酸化物層を前記窒素を含有するガスに加熱雰囲気中で曝露する工程において、前記処理炉の内部の温度を９００℃以上１５００℃以下に設定する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 In the step of containing a group III element in the oxide layer and the step of exposing the oxide layer to a gas containing nitrogen in a heated atmosphere, the temperature inside the processing furnace is set to 900 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of any one of Claims 1-8 set. 炭化珪素を含む半導体層と、
前記半導体層の主表面上に形成された酸化物層とを備えており、
前記酸化物層には、ＩＩＩ族元素を含み、
前記ＩＩＩ族元素の濃度は、前記酸化物層の内部において、前記酸化物層の前記半導体層と対向しない主表面から、前記酸化物層の前記半導体層と対向する主表面に向かうにつれて単調に増加する、炭化珪素半導体装置。 A semiconductor layer comprising silicon carbide;
An oxide layer formed on the main surface of the semiconductor layer,
Wherein the oxide layer, seen containing a III group element,
The concentration of the group III element monotonously increases from the main surface of the oxide layer that does not face the semiconductor layer toward the main surface of the oxide layer that faces the semiconductor layer. A silicon carbide semiconductor device. 前記酸化物層における前記ＩＩＩ族元素の濃度は、最大となる領域において１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下である、請求項１０に記載の炭化珪素半導体装置。 11. The silicon carbide semiconductor device according to claim 10 , wherein a concentration of group III element in the oxide layer is 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less in a maximum region. 前記ＩＩＩ族元素はアルミニウムである、請求項１１に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 11 , wherein the group III element is aluminum. 前記酸化物層には、窒素をさらに含む、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 10 , wherein the oxide layer further contains nitrogen. 前記窒素の濃度は、前記酸化物層の内部において、前記酸化物層の前記半導体層と対向しない主表面から、前記酸化物層の前記半導体層と対向する主表面に向かうにつれて単調に増加する、請求項１３に記載の炭化珪素半導体装置。 The nitrogen concentration monotonously increases from the main surface of the oxide layer that does not face the semiconductor layer to the main surface of the oxide layer that faces the semiconductor layer, inside the oxide layer. The silicon carbide semiconductor device according to claim 13 . 前記酸化物層における前記窒素の濃度は、最大となる領域において１×１０２０ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下である、請求項１３または１４に記載の炭化珪素半導体装置。 15. The silicon carbide semiconductor device according to claim 13 , wherein the nitrogen concentration in the oxide layer is not less than 1 × 10 20 cm −3 and not more than 1 × 10 22 cm −3 in a maximum region. 前記半導体層の主表面は、（０００１）面から１５度以内のオフカット方向に傾いた結晶面である、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。 The main surface of the said semiconductor layer is a silicon carbide semiconductor device of any one of Claims 10-15 which is a crystal plane inclined in the offcut direction within 15 degree | times from (0001) plane. 前記半導体層と前記酸化物層との界面近傍における界面準位密度は、１×１０１２ｃｍ−２／ｅＶ以下である、請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 10 , wherein an interface state density in the vicinity of the interface between the semiconductor layer and the oxide layer is 1 × 10 12 cm −2 / eV or less. 前記炭化珪素半導体装置はＭＯＳＦＥＴである、請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 10 , wherein the silicon carbide semiconductor device is a MOSFET.
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